组合式量子霍尔电阻样品比例校验器的制作方法

本发明属于计量科学领域，尤其涉及一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器。

背景技术：

(1)量子霍尔电阻

量子霍尔电阻(qhr)自然基准是电阻计量最高标准(国际公认)，在样品材料(砷化镓外延片)对应的2号填充平台的工作条件范围内(例如温度1.5k，磁场8t)给出霍尔电阻基准值12906.4035ω，这是与自然常数直接相关的物理量值，用来做电阻计量标准值，国际通用。量子霍尔电阻的基本结构叫做hallbar，丰字形结构，如图1所示。工作时，1向2通电流i12(大约50微安)，3-4两端电压v34(5-6，7-8符号同上)。特定的材料，通过特定的制作工艺，制作出量子霍尔电阻样品。这种样品如果在理想工作状态下，三对电压电极电压相同，v34＝v56＝v78，并且v3＝v5＝v7，v4＝v6＝v8，达到这种状态叫做完全量子化，这时霍尔电阻r＝v34/i12,是一个只与物理常数有关的量，即基准阻值12906.4035ω。但实际上，与理想工作状态总有差距，因此实际系统的基准阻值有不确定度，不同国家不一样，例如德国的相对不确定度为±4e-9(4x10^-9)，xx国的相对不确定度为±100e-9。

因此，一个量子霍尔电阻自然基准系统，基准阻值的准确度需要进行相互比对，验证准确度。量子霍尔电阻每个样品需要占用一套低温系统，费用昂贵，操作复杂。

(2)组合式量子霍尔电阻

组合式量子霍尔电阻是在量子霍尔电阻基础上，由多个量子霍尔电阻通过并联的方式获得1/n基准阻值的样品。

国际上，有阵列型量子霍尔电阻样品，通过数十个基本型混联，达到十进制阻值。

组合式量子霍尔电阻的优点是，组合基准阻值低，是1/n量子霍尔电组基准阻值。组合式量子霍尔电阻每个样品仍需要占用一套低温系统，一般实验室只有一套系统，每次不同阻值的样品工作需要换样品。

(3)量子霍尔电阻的测量技术

量子霍尔电阻的计量准确度一般需要达到ne-8量级，通用测量仪表(高端数字表8508a等，准确度最高到ne-6量级)是不能达到这个精度(准确度)的，专业测量仪器是电流比较仪式电桥。

国际最高端的比较仪电桥是低温电流比较仪电桥(ccc)，但这类电桥不通用，一般只有国家计量院有一台。

大多数常规的(常温)电流比较仪电桥的测量比例范围是1：10(1：r也可以测量，r为有理数，1≤r≤10,)，其测量功能是，测量仪器外部两只标准电阻的阻值比例，一般常温电流比较仪电桥准确度可以达到ne-7。

标准电阻值一般是十进制阻值，如1ω，100ω，1kω，10kω，100kω等。其中100ω，1kω是阻值适中，制作工艺相对成熟的阻值。一般选用这两个阻值的标准电阻与量子霍尔电阻进行比例测量。1000：12906.4035比例超过通常范围，需要特殊设计的常温电流比较仪电桥。

所以，组合式量子霍尔电阻的优势是基准阻值低，能够适应更多常规电桥使用。

(4)组合式量子霍尔电阻样品的校验

1/n组合式量子霍尔电阻作为电阻基准使用，需要校验，确定其组合基准阻值确实为量子霍尔电阻基准阻值的1/n。

由于国际上(包括国内其他单位)只有十进制阵列型量子霍尔电阻样品，尚无其他1/n组合式量子霍尔电阻样品，所有无法满足更多组合式量子霍尔电阻样品的精确校验。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器。该比例校验器可以解决组合式量子霍尔电阻样品的校验问题，校验误差相对不确定度达到5×10^-8(一般常温电流比较仪比例测量相对不确定度为(5×10^-8～5×10^-7))，另外，该比例校验器还可以校准验证常温电流比较仪。

本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器，包括校验器本体、标称电阻器组、接线端子、共节点接线器、跳线及输出接头；所述接线端子为多个，固定安装于所述校验器本体上；所述标称电阻器组为多个，每个电阻器组为一个标称阻值的电阻器件，或由多个标称阻值相同的所述电阻器件并联组成，多个所述标称电阻器组均固定安装于所述校验器本体上，每个所述标称电阻器组均具有两个接线端，每个所述标称电阻器组的其中一个所述接线端通过导线接入所述共节点接线器的一端，每个所述标称电阻器组的另一个所述接线端通过导线各接入一个所述接线端子；所述共节点接线器的另一端通过导线接入另外两个所述接线端子；所述跳线为多个，并且所述跳线的两端可自由的与任意两个所述接线端子连接并将这两个所述接线端子之间的电路导通；所述输出接头为四端子快速插接头，安装于所述校验器本体上，可与外部设备进行电路连接，同时与四个所述接线端子电路连接；多个所述标称电阻器组通过多个所述跳线与所述接线端子之间的电路连接，通过所述跳线可变换所述电阻器组之间的电路连接方式，进而形成不同的阻值，在同一个目标比例阻值的电路变换前后，所用的所述跳线保持不变，同时，通过所述跳线与所述接线端子的连接，形成标准四线法测量方式接入所述输出接头。

进一步，所述标称电阻器组有两组，并且每组由两个标称阻值相同的电阻器件并联组成。

进一步，所述标称电阻器组有n组，n为包括3至10中任一整数，通过跳线先将n组所述标称电阻器组串联测得阻值，再通过跳线将n组所述标称电阻器组并联测得阻值。

进一步，所述接线端子与所述跳线的连接方式为活动式连接。

进一步，所述跳线的两端为可相互插接的金属插头，所述接线端子为与所述金属插头所适配的金属插孔，所述金属插头可插入所述金属插孔中形成电路连接。

进一步，所述金属插头包括两个端头，其中一端为插头端，另一端为插孔端，每一个所述金属插头的插头端均可插入另一个所述金属插头的所述插孔端。

进一步，所述校验器本体包括壳体、安装于所述壳体内的支撑板及安装于所述支撑板上的均温金属架；所述输出接头安装于所述壳体的侧壁；所述接线端子相互间隔的安装于所述支撑板上；所述均温金属架上均匀的开设有多个放置孔，所述放置孔的大小与所述电阻器件的大小相适配，所述电阻器件逐一固定放置于所述放置孔中。

进一步，所述共节点接线器为导电板，所述导电板上设有多个分支电路，每个所述标称电阻器组的其中一端接入所述导电板的一个所述分支电路。

进一步，每个所述标称电阻器组由多个所述电阻器件并联组成，并且同一个所述标称电阻器组中的多个所述电阻器件的电阻温度系数的方向不完全相同。

采用本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器，可以方便的通过插接换线，实现两种基本阻值，rm(r-mix混联)和rp(r-parallel并联)，并且rm＝4×(1±δe)rp，相对误差δe<5×10^-8(10^-8是非常高的准确度，通用仪器无法测量出，需要高端计量专业电桥)。

具体地，本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器，1、通过跳线，可以对1/4，1/9,1/16等组合式量子霍尔电阻样品进行阻值校验(误差相对不确定度4e-8)。2、经过单节量子霍尔电阻样品校准后，该校验器可以变换模拟1/4样品基准阻值(相对不确定度达到5e-8)，直接作为1/4组合式量子霍尔电阻样品使用，或者逆向使用，经过1/4组合量子霍尔电阻样品校准后，该校验器变换模拟标准样品基准阻值。3、该校验器可以验证常温电流比较仪准确度，不确定度5×10^-8。并且基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器，可以使用普通电流比较仪(比例范围10：1以内)进行量子霍尔电阻基准值测量。否则需要比例达到12.9：1的专用电流比较仪才能测量。

附图说明

图1为量子霍尔电阻的基本结构示意图；

图2为本发明所提供的一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器的结构示意图；

图3为所述接线端子的一种具体实施方式的结构示意图；

图4为所述共节点接线器的一种具体实施方式的结构示意图；

图5为基于四个所述电阻器件的混联方式下的基础单元电路结构原理示意图；

图6为图5所示基础单元电路的变换电路结构原理示意图；

图7为基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1标准阻值下的跳线原理示意图；

图8为基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1/4标准阻值下的跳线原理示意图；

图9及图10为选用三个电阻器组的情况下的换线前后的电路示意图。

其中，图中的件号表示为：

101、校验器本体，102、电阻器件，103、接线端子，104、共节点接线器，105、跳线，106、输出接头，1011、壳体，1012、支撑板，1013、均温金属架，1041、分支电路，1051、金属插头，10511、插头端，10512、插孔端。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参照图2至图8，图2为量子霍尔电阻的基本结构示意图；图2为本发明所提供的一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器的结构示意图；图3为所述接线端子的一种具体实施方式的结构示意图；图4为所述共节点接线器的一种具体实施方式的结构示意图；图5为基于四个所述电阻器件的混联方式下的基础单元电路结构原理示意图；图6为图5所示基础单元电路的变换电路结构原理示意图；图7为基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1标准阻值下的跳线原理示意图；图8为基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1/4标准阻值下的跳线原理示意图，图9及图10为选用三个电阻器组的情况下的换线前后的电路示意图。

在本发明所提供的一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器的具体实施方式中，包括：校验器本体1011、标称电阻器组、接线端子103、共节点接线器104、跳线105及输出接头106。

所述校验器本体1011包括壳体1011、安装于所述壳体1011内的支撑板1012及安装于所述支撑板1012上的均温金属架1013，均温金属架1013可以用铝合金或铜制作，所述输出接头106安装于所述壳体1011的侧壁；所述接线端子103相互间隔的安装于所述支撑板1012上；所述均温金属架1013上均匀的开设有多个放置孔，所述放置孔的大小与所述电阻器件102的大小相适配，所述电阻器件102逐一固定放置于所述放置孔中。由于均温金属架1013采用金属制作，所以其导热性能非常好，能够保证放入其中的多个电阻器件102保持同一温度，以尽量减小电阻器件102在不同温度下电阻值的变化不同而造成的测量数据误差过大。

放置孔的数量可以根据需要自由选择，并不限于图中所示的数量，并且，并不一定每个放置孔都必须放置所示电阻器件102，可以空置，根据需要自由放置即可。

根据需要，所述接线端子103为多个，固定安装于所述校验器本体1011上的支撑板1012上；为了便于识别，接线端子103可以用不同颜色的插孔来实现。

所述标称电阻器组为多个，每个电阻器组为一个标称阻值的电阻器件102，或由多个标称阻值相同的所述电阻器件102并联组成，多个所述标称电阻器组均固定安装于所述校验器本体1011上，每个所述标称电阻器组均具有两个接线端，每个所述标称电阻器组的其中一个所述接线端通过导线接入所述共节点接线器104的一端，每个所述标称电阻器组的另一个所述接线端通过导线各接入一个所述接线端子103；所述共节点接线器104的另一端通过导线接入另外两个所述接线端子103；所述跳线105为多个，并且所述跳线105的两端可自由的与任意两个所述接线端子103连接并将这两个所述接线端子103之间的电路导通；跳线105可以设计为不同颜色，以方便操作人员进行插接，不易混淆不清，避免接线较多后混乱。

所述输出接头106为四端子快速插接头，安装于所述校验器本体1011上，可与外部设备进行电路连接，同时与四个所述接线端子103电路连接；多个所述标称电阻器组通过多个所述跳线105与所述接线端子103之间的电路连接，可改变所述电阻器组之间的电路连接方式，进而形成不同的阻值，同时，通过所述跳线105与所述接线端子103的连接，形成标准四线法测量方式接入所述输出接头106。为了保证在换线前后误差尽可能的减小，以提高比例校验器的准确度，在同一个目标比例阻值的电路变换前后，所用的所述跳线105保持不变，也即保证等长变换。

为了实现不同比例的校验器，所述标称电阻器组可以通过跳线105的方式自由连接。

如果要实现1:1/4的比例校验器，所述标称电阻器组有两组，并且每组由两个标称阻值相同的电阻器件102并联组成。也就是说，先将四个所述电阻器件102用跳线的方式进行混连，形成如图5所示的电路，假如每个电阻器件102是阻值为r，则ab的阻值仍为r，通过换线，可以将电路变换为如图6所示的并联状态，则此时ab间的阻值为r/4,所以变换前后的电阻比例为1：1/4。

如果要实现1:1/9的比例校验器，一种实施方式为，所述标称电阻器组有三组，并且每组由三个标称阻值相同的电阻器件102并联组成。先如图9所示，进行串联连接，再经换线后，形成3个电阻器件的并联，于是换线前后的比例为3r：r/3，即1:1/9。

同理，如果先取4、5、6……n个标称电阻器组进行串联，再换线后将其并联，则可以实现1:1/16、1:1/25、1:1/36、1:1/n²的比例阻值。一般情况下，n为不超过10的整数，超过10的也基本没实际使用意义了。

上述的每组电阻器组中的电阻器件102可以根据需要进行任意组合，可以为一个，也可以为多个并联，也可以为多个串联，总之，该组电阻器组相当于一个整体电阻单元，其内部连接及阻值大小在换线前后保持不变，也因此，可以实现误差不变。

当然，通过跳线105的方式不仅可以实现上述几种比例下的校验器，进行校验相应的1/n组合式量子霍尔电阻作为是否为电阻基准，还可以实现任意比例下的校验器，只需将跳线105进行循环嵌套等相应的改变即可。

为了方便变化电路，所述接线端子103与所述跳线105的连接方式为活动式连接。

所述跳线105的两端为可相互插接的金属插头1051，比如圆柱形或c形结构，所述接线端子103为与所述金属插头1051所适配的金属插孔，所述金属插头1051可插入所述金属插孔中形成电路连接。

所述金属插头1051包括两个端头，其中一端为插头端10511，另一端为插孔端10512，每一个所述金属插头1051的插头端10511均可插入另一个所述金属插头1051的所述插孔端10512。这样可以方便的进行插接，提高效率，而且可以确保导电正常。

所述共节点接线器104可以为一个圆柱形金属块，一端为进线焊接各进线端，另一端为两个出线焊接端，进线焊接端最好沿圆周均匀布置，以尽可能的减小线阻误差；所述共节点接线器104还可以为导电板，所述导电板上设有多个分支电路1041，每个所述标称电阻器组的其中一端接入所述导电板的一个所述分支电路1041；所述共节点接线器104还可以为圆盘形金属块，进线均布焊接于圆盘的周围，出线焊接于圆盘的中央。

每个所述标称电阻器组由多个所述电阻器件102并联组成，并且同一个所述标称电阻器组中的多个所述电阻器件102的电阻温度系数的方向不完全相同。这样可以使得温度变化时，发生正漂移的电阻与发生负漂移的电阻阻值变化相互抵消，从而减小误差，提高精确度。

为了清楚的阐明本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品校验器的原理，下面以1:1/4的比例校验器为例进行说明。

如图5所示，r1，r2，r3，r4，是同标称值电阻器件(本实施例选择12906.4ω，容差0.005％)。

一般来说，电阻器件的温漂系数是非线性的，在较大的温区内温漂曲线为倾斜的抛物线形。经过测试和挑选，可以找到在工作温区(例如实验室18℃-23℃)内温漂曲线近似线性的的电阻。

经过筛选，r1在工作温区的等效线性温度漂移系数为+2.7e-7/℃，国内计量实验室的基本温度是20℃，设r1在20℃的阻值为12906.4ω，那么r1的实际环境阻值可以表达为r1＝12906.4×[1+2.7e-7×(t-20)]ω。同理r2，r3，r4均可用上述公式表达。因此，以上电阻可以统一表达为r1＝r0×(1+δ1)，r2＝r0×(1+δ2)，ri＝r0×(1+δi)，……

其中，r0是一批同标称电阻的公共参考值，具体值未知，可通过实验测量获取，但这不是重点，重点是δi，如果这一批电阻的容差是0.005％，表明δi的取值范围是±0.005％(5e-5)。

接下来，图5中电路的a-b两点间电阻值理论计算为，r1与r2并联值加上r3与r4的并联值，rab＝r1//r2+r3//r4,

r1//r2＝r1×r2/(r1+r2)＝r0(1+δ1)×r0(1+δ2)/[r0(1+δ1)+r0(1+δ2)]

＝r0/2×(1+δ1+δ2+δ1δ2)/(1+δ1/2+δ2/2)--------------(公式1)

由于δi是0.005％量级的小量，δi×δk就是25×10^-10量极的二阶小量，本发明的目标不确定度是10^-8量级，远大于二阶小量，因此在公式运算中二阶小量可以简化，忽略不计。

同理，1/(1+δi)进行级数展开，忽略二阶小量，可以表达为1/(1+δi)≈1-δi因此公式1经过级数展开后，忽略二阶和以上的小量，

r1//r2＝r0/2×(1+(δ1+δ2)/2)

同理r3//r4＝r0/2×(1+(δ3+δ4)/2)

进一步，混联电阻

rab＝r1//r2+r3//r4＝r0×(1+(δ1+δ2+δ3+δ4)/4)---------(公式2)

将图5所示的混联电路进行变换，如果a点和b点短接成一个点，称为ab点，ab点与e点间电阻值rab-e是r1，r2，r3，r4的并联电阻值。

rabe＝(r1//r2)//(r3//r4)

＝r0(1+δ1)×r0(1+δ2)/[r0(1+δ1)+r0(1+δ2)]//r0(1+δ3)×r0(1+δ4)/[r0(1+δ3)+r0(1+δ4)]

同理，忽略二阶及以上高阶小量，

rabe＝r0/4×(1+(δ1+δ2+δ3+δ4)/4)-----------------------(公式3)

比较公式2和公式3，如果选取合适的电阻，在忽略高阶小量的假设下，理论计算表明

rab＝4rabe------------------------------------------(公式4)

上述计算过程表明，该理论计算有效准确度达到e-8量级。

同时，实际设计过程中，需要考虑到整个系统引线和结点处12906.4×10^-8＝0.000129ω阻值的影响。如果接触电阻或引线电阻引起的误差大于0.000129ω，则理论计算精度将被覆盖。20℃时铜导线的电阻率为0.0172(μω·m)，实验样机使用的用铜线缆横截面0.2mm²，因此每1.5mm长度的导线电阻是0.15×0.0172/0.2×10⁴＝0.000129ω需要精细考虑，如果不采取措施进行处理，将影响到整体精度。

如图7所示，为基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1标准阻值下的跳线原理示意图；

图示中的插接状态为等效线路rm状态，即混联状态，以图上a，b通道为例，线a是可插接变换线即所述跳线，插在图中孔位1时，用标准4线法测量电阻值为rabm(混联方式下ab间的电阻值)，其中输出端为标准四端子快速插接头k1234(4芯连接器)。k1，k2，k3，k4分别为4芯每一端，合并统称k1234。k5678同理。

将图7所示的电路进行电路变换，变为图8所示的电路后，即a线插到孔位2，同时，共点连接点e分成双股换接k1和k2上，那么在4芯快速接头k1234上测量电阻即为rabp(并联方式下的ab间的电阻值)，图8所示的电路原理，也就是基于本发明所提供的组合式量子霍尔电阻样品比例校验器下，在4个电阻器件下形成1：1/4标准阻值下的跳线原理示意图。

利用上述跳线方法进行电路变换后，其阻值计算如下：

设a通道电阻ra，变换线a阻值为ra，设ra＝δar，为小电阻，

b通道阻值rb，固定线b阻值rb，设rb＝δbr，为小电阻。

ra＝1/2r(1+(δ1+δ2)/2)

rb＝1/2r(1+(δ3+δ4)/2)

经过计算，忽略高阶小量：

rabm＝(ra+ra)+(rb+rb)＝r(1+(δ1+δ2+δ3+δ4)/4+δa+δb)

rabp＝(ra+ra)//(rb+rb)＝1/4r(1+(δ1+δ2+δ3+δ4)/4+δa+δb)

理论计算，在忽略高阶小量的前提下(10^-8量级)，rabm＝4rabp

经本技术设计，经过实际测试rabm＝4(1+δe)rabp，

|δe|一般小于4×10^-8，在使用中可忽略不计，可以认为rabm＝4rabp

实际测试数据如下：

多天平均测试结果表明|δe|＝4.8×10^-8，符合使用要求。

此外，2-8变换同理，略。

以上阻值测量是在实验室自然环境下，全天不分时段混合测量，实验室温度全天变化范围19℃～24℃，上述测试数据表明本发明装置3天内相对阻值变化不超过1.5×10^-7，而变换比例统计偏差仅为3.26×10^-8。

上述具体实施列仅为1:1/4的比例校验器的跳线方法及原理，当需要校验其它比例形式组合式量子霍尔电阻时，只需要进行类似的变换即可。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。